清華大學(xué)教授973項(xiàng)目首席科學(xué)家韓敏芳：固定氧化物燃料電池技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用
4月2-4日，“儲(chǔ)能國(guó)際峰會(huì)暨展覽會(huì)2018（ESIE 2018）”在北京國(guó)家會(huì)議中心舉行。清華大學(xué)教授973項(xiàng)目首席科學(xué)家韓敏芳在主題論壇上做演講。以下是演講詳情：
清華大學(xué)教授973項(xiàng)目首席科學(xué)家韓敏芳：
氫能與燃料電池作為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，這兩年發(fā)展的非?？?，受到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)該說(shuō)每個(gè)月，或者說(shuō)差不多每個(gè)月好幾次相關(guān)的活動(dòng)，實(shí)際上真正行業(yè)的發(fā)展應(yīng)該算是2018年正是在中國(guó)比較升溫。
今天我主要匯報(bào)的是固體氧化物燃料電池相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用的情況，在所有的燃料電池當(dāng)中會(huì)有多種多樣發(fā)展形勢(shì)。
國(guó)家整個(gè)能源行業(yè)發(fā)展背景下，需要發(fā)展新的能源技術(shù)，我們面臨著能源效率的問(wèn)題，污染的問(wèn)題，二氧化碳的問(wèn)題，迫切需要發(fā)展新能源技術(shù)，這個(gè)時(shí)候氫能以及燃料電池作為一個(gè)新的能源領(lǐng)域冉冉升起。在看整個(gè)發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，在能源體系當(dāng)中我們產(chǎn)生的發(fā)電技術(shù)更多是熱機(jī)的形式，通過(guò)燃料的燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，整個(gè)燃料電池的發(fā)展通過(guò)電化解基礎(chǔ)使的熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，這樣它的效率比較高，還有一系列環(huán)境保護(hù)的優(yōu)勢(shì)。
到底燃料電池怎么實(shí)現(xiàn)更好效率發(fā)展的？傳統(tǒng)來(lái)說(shuō)包括氫燃料和其他的化學(xué)燃料，是空氣中的燃起直接發(fā)生燃燒反映產(chǎn)生熱，現(xiàn)在燃料電池可以用空氣中的氧離子反應(yīng)過(guò)程，空氣中有很多氧氣，通過(guò)燃料電池的過(guò)程，這是通過(guò)氧離子的傳導(dǎo)使得它從空氣一側(cè)傳到燃料這一側(cè)，可以氧化所有種類的燃料，可以是純氫氣可以是碳?xì)淙剂希浅＞哂袃?yōu)勢(shì)，可以更好的效率，更高的環(huán)境保護(hù)性。但是，也會(huì)有更高的技術(shù)難度。
在所有種類的燃料電池當(dāng)中，現(xiàn)在談的比較多的是氫燃料電池，它純氫氣做燃料，現(xiàn)在也是上汽車或者剛剛講的加氫站，除了氫燃料電池還有氧燃料電池，燃料電池作為電化學(xué)學(xué)科類重要的分支，所有都是已于它傳導(dǎo)離子不同來(lái)分類，比如說(shuō)用磷酸鹽做電解質(zhì)，還有二氧化碳碳酸根的，目前主要由五大類燃料電池。看整個(gè)表的情況，橫坐標(biāo)是發(fā)電的規(guī)模，縱坐標(biāo)是效率，底本上來(lái)說(shuō)燃料電池可以使用的效率比內(nèi)燃機(jī)要高，一定是可以實(shí)現(xiàn)的效率。多種燃料電池當(dāng)中今天要講的固體氧化物燃料電池可以實(shí)現(xiàn)最高的能源效率，它的原理一定也是最具有挑戰(zhàn)性，最具有難度的過(guò)程。
從燃料到燃料電池左側(cè)和右側(cè)可以看到，左側(cè)是燃料的來(lái)源，希望做成氫能的戰(zhàn)略體系，氫可以由更多的來(lái)源，更多的化石來(lái)源的時(shí)候可以是固體液體。經(jīng)過(guò)中間一系列技工處理的步驟最后供給燃料電池應(yīng)用，如果走了6步得到純氫氣就可以提供氫燃料電池來(lái)工作。一氧化碳含量更高一點(diǎn)的時(shí)候，做到百分量級(jí)的時(shí)候可以供磷酸鹽來(lái)工作，總之，它是平衡的。
當(dāng)這邊做的工作多的時(shí)候，這邊的燃料電池的技術(shù)可以相對(duì)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，工作的溫度也低一點(diǎn)，當(dāng)這邊做的少一些的時(shí)候，這邊就要在高溫下來(lái)工作，有碳?xì)淙剂蟻?lái)工作的時(shí)候，這邊的技術(shù)要求更高的。所有的燃料電池都具有很好的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，不但是其他的氮氧化物的排放問(wèn)題，它的成本優(yōu)勢(shì)，一個(gè)新行業(yè)往往不太具有行業(yè)優(yōu)勢(shì)，假設(shè)我們以后做成了固體氧化物燃料電池發(fā)電，就是國(guó)家能源級(jí)產(chǎn)業(yè)講到的煤氣電有兩套系統(tǒng)，一個(gè)是常壓的，一個(gè)是加壓的，這是美國(guó)人做的數(shù)據(jù)，美國(guó)能源部提供的數(shù)據(jù)，投資成本和發(fā)電成本都會(huì)低，一心代發(fā)展的能源技術(shù)當(dāng)中，能夠比火力成本發(fā)電率低的就是固體燃料電池，現(xiàn)在所有的應(yīng)用都在世界內(nèi)被推動(dòng)，我們分為便攜式、分布式熱點(diǎn)聯(lián)供、高性能動(dòng)力電源和大型發(fā)電站，世界上所有的應(yīng)用都在應(yīng)用。
日本熱電聯(lián)供技術(shù)，日本有一個(gè)CHP公司，最新的數(shù)據(jù)當(dāng)時(shí)推的時(shí)候電效率是46.5%，2016年最新效率嗲效率達(dá)到52%，這是它發(fā)展成本下降數(shù)量增加情況非常有前景。出奔除了做小型家用700瓦的，這個(gè)規(guī)模范圍20千瓦、50千瓦到幾百千瓦都是有的，可以是一個(gè)小區(qū)，可以是一個(gè)商場(chǎng)。當(dāng)然這個(gè)尤其適合中國(guó)發(fā)展的分布式熱點(diǎn)聯(lián)供要解決天氣問(wèn)題，大家很榮幸的在這個(gè)這起來(lái)源到北京，感觸了氣侯變化跳躍性，一周換了四季，在北京也不容易。
大型化的全世界字的最好的是三菱重工，2009年推出的SOFC—MGT系統(tǒng)，2012年推行。在固體氧化物燃料電池行業(yè)當(dāng)中最有代表性的就是Bloom這家企業(yè)，尤其是蘋果的系統(tǒng)，整個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)用電，這是一個(gè)非常有代表性的。這家公司已經(jīng)做了非常多的客戶，2001年成立的，2009年第二間公司在紐約，第三家和軟銀合作在日本動(dòng)靜來(lái)建的，很有可能很多同仁都希望他到重要來(lái)，這家網(wǎng)站大家可以去看，做的非常好。尤其在規(guī)模一些大的企業(yè)都是用了它的系統(tǒng)。
再講講車，特斯拉的電動(dòng)車最好大家是知道的400公里的續(xù)航里程，2014年豐田未來(lái)這款車也是大家追逐的，2016年日產(chǎn)推了一款車500瓦的固體燃料電池加了24瓦的儲(chǔ)能電池，續(xù)航里程是600公里，去年七八月份這款車在巴西完成了一年的路面測(cè)試，日產(chǎn)現(xiàn)在預(yù)計(jì)是2020年商業(yè)化這款車。這是國(guó)際上發(fā)展的情況，剛才說(shuō)因?yàn)?016年氫能燃料電池行業(yè)在中國(guó)開始了比較快速升溫的發(fā)展，前面同志也列出了發(fā)展的狀況，2016年國(guó)家電網(wǎng)公司未來(lái)科技城幾大公司組織召開的是APEC氫能燃料電池研討會(huì)，2016年就陸續(xù)出臺(tái)了一系列政策，在國(guó)家戰(zhàn)略政策上整個(gè)行業(yè)被列為引領(lǐng)行業(yè)變革的肩負(fù)性技術(shù)。2016年出臺(tái)了中國(guó)制造2025和國(guó)家能源行動(dòng)計(jì)劃，要想做一個(gè)事情市場(chǎng)推動(dòng)是一方面，國(guó)家政策的引領(lǐng)，所有企業(yè)都跟著國(guó)家指揮棒來(lái)走的。氫能燃料電池作為一個(gè)單獨(dú)的項(xiàng)目，包括氫的制備存儲(chǔ)加氫站整個(gè)發(fā)展情況，燃料電池的情況，氫燃料電池和固定氧化物燃料電池，在燃料電池當(dāng)中一個(gè)做車，一個(gè)做電站都給出了具體的。氫燃料電池已經(jīng)做了很多，固體氧化物要求做到4萬(wàn)小時(shí)的壽命，要做相關(guān)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)都有具體的一些規(guī)劃，包括一些路線圖，其實(shí)這個(gè)路線圖在中國(guó)還有點(diǎn)欠缺，還要大家共同努力，我們政策來(lái)了，從人才、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和真正落地的政策需要大家共同來(lái)推動(dòng)。
新能源汽車顯然現(xiàn)在是最熱的領(lǐng)域，很多做氫能或者做燃料電池都是盯著這個(gè)來(lái)的，這個(gè)2017年初工部出了燃料電池車補(bǔ)貼一系列相關(guān)的工作，包括加氫站都有明確的政策可以繼續(xù)來(lái)做。國(guó)內(nèi)外發(fā)展的情況，它的發(fā)展情況和發(fā)展目標(biāo)，這些都是屬于自己關(guān)心的，自己會(huì)做的更詳細(xì)。
固體氧化物燃料電池還是屬于所有燃料電池當(dāng)中最難的一個(gè)技術(shù)，我們從2012年到2017年剛剛完成國(guó)家973項(xiàng)目這樣一個(gè)成果，氫燃料電池這幾個(gè)領(lǐng)域陸陸續(xù)續(xù)有國(guó)家氫能源燃料項(xiàng)目，固定氧化電池涉及到方面，從材料到電池的過(guò)程，到整個(gè)電池的設(shè)計(jì)，整個(gè)集成過(guò)程當(dāng)中科學(xué)規(guī)律和最后的系統(tǒng)集成。成果也是多方面的，因?yàn)閲?guó)家973項(xiàng)目要頂天立地，頂天到有前沿成果，立地要有技術(shù)和系統(tǒng)，從理論體系上構(gòu)建一套體系，在電極反映過(guò)程中做的是直接使用碳?xì)淙剂?，還要有技術(shù)的發(fā)展，做出真正實(shí)實(shí)在在用的電池，最后總結(jié)規(guī)律融合所有的做成一個(gè)示范系統(tǒng)的過(guò)程，這個(gè)行業(yè)相當(dāng)于需要走的路還有更長(zhǎng)。
我是把整個(gè)行業(yè)發(fā)展的技術(shù)分成了四段，產(chǎn)權(quán)產(chǎn)業(yè)鏈，首先是材料體系，我們的電解質(zhì)材料、陰極材料、陽(yáng)極材料都要做，如果未來(lái)燃料電池成為一個(gè)大的行業(yè)，你可能會(huì)做一個(gè)陽(yáng)極或者陰極來(lái)供應(yīng)這個(gè)事情。有了這些材料以后做成一起燒成一個(gè)電池，所有的材料都是氧化物，更通俗一點(diǎn)就是陶瓷。陰極陽(yáng)極裝在一起通常是說(shuō)三重結(jié)構(gòu)，有了這個(gè)電池以后就叫元件，通常可以發(fā)出1伏左右的電，但是要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能需要集成到一起，這個(gè)時(shí)候有縫接材料，因?yàn)橐谄甙税俣认聛?lái)工作，直接工作于甲烷劑，對(duì)所有材料要求也是高的，管理過(guò)程要求也是高的，熱平衡系統(tǒng)要求也是高的，做成了這樣一個(gè)模塊再集成發(fā)電系統(tǒng)，他是模塊化的結(jié)構(gòu)還是整體這樣一個(gè)設(shè)計(jì)的狀態(tài)。目前在中國(guó)能做到的就是幾千瓦的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，未來(lái)可以做更多的工作。
大家都覺(jué)得這東西很神秘，就是一些復(fù)雜材料，搞這個(gè)領(lǐng)域的可以繼續(xù)去做。以后行業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)，所有這些都是商業(yè)機(jī)會(huì)，需要全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行布局，不同優(yōu)勢(shì)和技術(shù)的行業(yè)進(jìn)入這個(gè)行業(yè)共同推動(dòng)這個(gè)行業(yè)發(fā)展。
做成電池看到的，這是剛才說(shuō)的是做到單電池的情況，目前能做到的就是標(biāo)準(zhǔn)一樣的尺寸就是10厘米乘10厘米的情況，所有大電池測(cè)試都是在單板做的測(cè)試，到現(xiàn)在行業(yè)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)。973項(xiàng)目過(guò)程當(dāng)中人家不能說(shuō)都是自己說(shuō)的，要到第三方測(cè)試，這是丹麥做的一系列的測(cè)試，這是它的密封件等一系列工作，評(píng)價(jià)還是非常高的。有了這個(gè)之后開始做集成，做了小的堆以后也沒(méi)有人做測(cè)試，我們當(dāng)時(shí)973一部分工作在德國(guó)做的測(cè)試，給的一系列評(píng)價(jià)。下面就要做出一個(gè)示范系統(tǒng)，就是要把所有的科學(xué)規(guī)律的一些認(rèn)識(shí)做成一個(gè)示范系統(tǒng)。它會(huì)直接來(lái)的是碳?xì)淙剂希梢杂眉淄?，它的熱平衡活?dòng)管理系統(tǒng)更復(fù)雜一點(diǎn)。過(guò)去幾年當(dāng)中做了一系列的示范和一系列單位合作，一起在全國(guó)推了幾個(gè)示范，也是完成973項(xiàng)目推動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的發(fā)展，希望在工作中以這個(gè)為基礎(chǔ)具體推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。中國(guó)也有一些公司開始在做，早期2018年全國(guó)第一家專門從事這個(gè)行業(yè)的公司，從材料到集成都給出來(lái)了，我叫它完成全產(chǎn)業(yè)鏈的工作，但還有很長(zhǎng)的路要走。
最后，我們要有一個(gè)自己的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，2016年我們推動(dòng)成立了燃料電池專業(yè)委員會(huì)，2016年剛剛成立的，當(dāng)時(shí)有不到100個(gè)委員，能源局覺(jué)得我們有點(diǎn)多，行業(yè)發(fā)展非常快，或需要繼續(xù)來(lái)做。2017年推動(dòng)成立了能源行業(yè)高溫燃料電池標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，接下來(lái)我們要推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)工作和檢測(cè)中心，也歡迎大家方方面面一起來(lái)推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。
謝謝大家！
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